尾水管
關(guān)注創(chuàng)建者：郭蓋 創(chuàng)建時(shí)間：2015-10-13
尾水管的實(shí)例教程
圖6各工況轉(zhuǎn)輪區(qū)域渦核
圖7各工況尾水管靜壓
2.4尾水管
2.4.1尾水管靜壓
由4個(gè)工況下（如圖7）的尾水管靜壓可以看出，沿著水流的流向，從尾水管進(jìn)口到出口，壓力是均勻升高的，且壓力基本對(duì)稱，對(duì)稱軸為主軸軸線。工況①、②、③壓力云圖顯示在尾水管中間都存在連續(xù)的條狀低壓區(qū)，由此判斷此即為尾水管空腔渦帶，隨著開度的增大，連續(xù)低壓區(qū)的最低壓力增大，渦帶漸漸減小。但在工況①位置的壓力云圖與其他開度下的云圖顯然不同，連續(xù)的低壓區(qū)面積較大，且有一個(gè)高壓區(qū)域連接尾水管的進(jìn)口和上下管壁，說明除了渦帶外在尾水管存在其他對(duì)機(jī)組影響較大的不穩(wěn)定流，此不穩(wěn)定流是軸對(duì)稱的。工況④中間區(qū)域沒有連續(xù)的低壓區(qū)，則機(jī)組在工況④下，較難形成尾水管渦帶。
2.4.2尾水管速度
圖8各工況尾水管速度云圖
對(duì)比工況①、②、③、④尾水管速度云圖（如圖8），沿著水流的流向，從尾水管進(jìn)口到出口，速度是降低的，速度值以主軸軸線為對(duì)稱軸上下對(duì)稱；工況①尾水管速度云圖與其余三個(gè)工況尾水管速度云圖有明顯的不同，它在尾水管中間區(qū)域有三個(gè)低速區(qū)，上下兩個(gè)低速區(qū)沿著軸線對(duì)稱，中間的低速區(qū)為橢圓形，夾在兩個(gè)高速區(qū)的出口中間，由此可以判斷工況①在尾水管進(jìn)口到中間區(qū)域出現(xiàn)一種比較特殊的漩渦；工況②在尾水管出口處有一個(gè)三角形區(qū)域的低速區(qū)，說明此處流動(dòng)存在異常。
展開 圖6各工況轉(zhuǎn)輪區(qū)域渦核
圖7各工況尾水管靜壓
2.4尾水管
2.4.1尾水管靜壓
由4個(gè)工況下（如圖7）的尾水管靜壓可以看出，沿著水流的流向，從尾水管進(jìn)口到出口，壓力是均勻升高的，且壓力基本對(duì)稱，對(duì)稱軸為主軸軸線。工況①、②、③壓力云圖顯示在尾水管中間都存在連續(xù)的條狀低壓區(qū)，由此判斷此即為尾水管空腔渦帶，隨著開度的增大，連續(xù)低壓區(qū)的最低壓力增大，渦帶漸漸減小。但在工況①位置的壓力云圖與其他開度下的云圖顯然不同，連續(xù)的低壓區(qū)面積較大，且有一個(gè)高壓區(qū)域連接尾水管的進(jìn)口和上下管壁，說明除了渦帶外在尾水管存在其他對(duì)機(jī)組影響較大的不穩(wěn)定流，此不穩(wěn)定流是軸對(duì)稱的。工況④中間區(qū)域沒有連續(xù)的低壓區(qū)，則機(jī)組在工況④下，較難形成尾水管渦帶。
2.4.2尾水管速度
圖8各工況尾水管速度云圖
對(duì)比工況①、②、③、④尾水管速度云圖（如圖8），沿著水流的流向，從尾水管進(jìn)口到出口，速度是降低的，速度值以主軸軸線為對(duì)稱軸上下對(duì)稱；工況①尾水管速度云圖與其余三個(gè)工況尾水管速度云圖有明顯的不同，它在尾水管中間區(qū)域有三個(gè)低速區(qū)，上下兩個(gè)低速區(qū)沿著軸線對(duì)稱，中間的低速區(qū)為橢圓形，夾在兩個(gè)高速區(qū)的出口中間，由此可以判斷工況①在尾水管進(jìn)口到中間區(qū)域出現(xiàn)一種比較特殊的漩渦；工況②在尾水管出口處有一個(gè)三角形區(qū)域的低速區(qū)，說明此處流動(dòng)存在異常。
展開 圖 5 瞬態(tài)模型部分載荷工況下測(cè)線1和2的徑向和切向速度
對(duì)尾水管中模擬的壓力結(jié)果進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)。分析的信號(hào)為非穩(wěn)態(tài)模擬的最后5秒，此時(shí)旋轉(zhuǎn)渦帶已完全展開。下圖展示了FFT分析后的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)渦帶的存在通常由對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的頻率（Rheingans 頻率）的0.2-0.4的頻率來表示。根據(jù)文獻(xiàn)，F(xiàn)rancis-99 尾流管內(nèi)的旋轉(zhuǎn)渦帶壓力脈動(dòng)的頻率被發(fā)現(xiàn)為0.29f (~1.63 Hz)。
圖 6 尾水管壓力FFT
下圖展示了渦帶的流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其隨時(shí)間的演變，在云圖中展示壓強(qiáng)=100kPa的等值面。
圖 7 渦帶隨時(shí)間的變化，考慮流體的粘度
圖 8 渦帶隨時(shí)間的變化，不考慮流體的粘度
04 結(jié)論與展望
本案例模擬了Francis-99水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管部分，希望能夠捕捉到在非設(shè)計(jì)工況下尾水管內(nèi)的渦帶。
使用穩(wěn)態(tài)冷凍轉(zhuǎn)子模型的模擬結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)工況下，測(cè)線1和測(cè)線2的速度剖面與實(shí)驗(yàn)值非常吻合。對(duì)于部分載荷工況，軸向速度偏低，但速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。此外，使用了瞬態(tài)模型對(duì)部分載荷工況進(jìn)行了模擬，數(shù)值結(jié)果很好地預(yù)測(cè)了旋轉(zhuǎn)渦帶的出現(xiàn)和形成。使用CFD仿真軟件，獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似的數(shù)值結(jié)果。在部分載荷工況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓力脈動(dòng)頻率約為轉(zhuǎn)輪頻率(~1.63 Hz)的0.29倍。從尾水管壓力FFT分析結(jié)果可以看出，它大約是轉(zhuǎn)輪頻率的0.28(~1.57)。0.06Hz的差異是由于數(shù)值模擬誤差造成的，可以忽略不計(jì)。
使用CFD仿真軟件可以模擬水輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)，并且能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，驗(yàn)證了CFD仿真軟件模擬復(fù)雜流動(dòng)的能力。
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展開 圖 7 渦帶隨時(shí)間的變化，考慮流體的粘度
圖 8 渦帶隨時(shí)間的變化，不考慮流體的粘度
04 結(jié)論與展望
本案例模擬了Francis-99水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管部分，希望能夠捕捉到在非設(shè)計(jì)工況下尾水管內(nèi)的渦帶。
使用穩(wěn)態(tài)冷凍轉(zhuǎn)子模型的模擬結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)工況下，測(cè)線1和測(cè)線2的速度剖面與實(shí)驗(yàn)值非常吻合。對(duì)于部分載荷工況，軸向速度偏低，但速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。此外，使用了瞬態(tài)模型對(duì)部分載荷工況進(jìn)行了模擬，數(shù)值結(jié)果很好地預(yù)測(cè)了旋轉(zhuǎn)渦帶的出現(xiàn)和形成。使用CFD仿真軟件，獲得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果近似的數(shù)值結(jié)果。在部分載荷工況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明壓力脈動(dòng)頻率約為轉(zhuǎn)輪頻率(~1.63 Hz)的0.29倍。從尾水管壓力FFT分析結(jié)果可以看出，它大約是轉(zhuǎn)輪頻率的0.28(~1.57)。0.06Hz的差異是由于數(shù)值模擬誤差造成的，可以忽略不計(jì)。
使用CFD仿真軟件可以模擬水輪機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)，并且能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，驗(yàn)證了CFD仿真軟件模擬復(fù)雜流動(dòng)的能力。
文章來源：遠(yuǎn)算云仿真
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展開 這些渦輪機(jī)的特點(diǎn)是徑向流入、入口葉片、轉(zhuǎn)輪和通過尾水管的軸向流出。它們可以在很寬的時(shí)間范圍內(nèi)快速響應(yīng)任何負(fù)載變化。
圖 1. 引導(dǎo)水流進(jìn)入水輪機(jī)的入口葉片（左側(cè)）、GAMM 渦輪機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)（中間）以及渦輪機(jī)的部件，即導(dǎo)流管、葉片和轉(zhuǎn)輪（右側(cè)）。
在其最佳效率點(diǎn)的大約 50% 到 70% 的負(fù)載下，混流式水輪機(jī)會(huì)產(chǎn)生空化渦繩，這會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)。這種部分負(fù)載浪涌也稱為Rheinganz 頻率。此處產(chǎn)生的頻率約為渦輪轉(zhuǎn)速的 1/3。運(yùn)行中的這種不穩(wěn)定行為不僅在部分負(fù)載下觀察到，而且在標(biāo)稱滿載和過載時(shí)也觀察到。在本次 Cadence TECHTalk 中，演講者討論了渦流繩對(duì)水輪機(jī)設(shè)計(jì)帶來的不同挑戰(zhàn)，以及如何在非設(shè)計(jì)條件下準(zhǔn)確分析渦流繩。
渦流繩帶來的挑戰(zhàn)
渦繩是混流式水輪機(jī)尾水管錐體中高雷諾數(shù)時(shí)發(fā)生的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。在此類渦輪機(jī)的尾水管中觀察到兩種類型的渦流：
滿載脈動(dòng)渦流繩
部分載荷下的螺旋渦流繩。
在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行的水輪機(jī)尾水管內(nèi)的流動(dòng)通常具有復(fù)雜的渦流特征，這會(huì)導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象。渦流繩的頻率通常在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速的 30% 到 50% 范圍內(nèi)。
圖 2. 渦繩出現(xiàn)在水輪機(jī)的尾水管中。
如圖 2所示，渦流繩會(huì)導(dǎo)致尾水管中出現(xiàn)壓力脈動(dòng)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)、功率波動(dòng)和脈動(dòng)壓力恢復(fù)，這是水電行業(yè)的一個(gè)主要問題，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低或限制渦輪機(jī)的工作范圍。因此，準(zhǔn)確模擬渦繩并分析相應(yīng)的壓力波動(dòng)至關(guān)重要。
解決方案
使用 CFD 模擬分析設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)條件下的渦輪機(jī)性能變得非常容易。第一步，應(yīng)在穩(wěn)態(tài)條件下模擬渦輪機(jī)設(shè)計(jì)以研究效率點(diǎn)。然后，在非設(shè)計(jì)條件下對(duì)其進(jìn)行模擬，以可視化流動(dòng)中的渦流。
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尾水管的最新內(nèi)容
圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
表1 參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算表
為降低微型余能回收水輪機(jī)的生產(chǎn)難度和成本，對(duì)過流部件適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了優(yōu)化，余能回收水輪機(jī)全流道仿真模型僅包括蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，如圖2所示。
；工況②尾水管水流在出口產(chǎn)生流動(dòng)分離，分離處恰為速度云圖中顯示的三角形低速區(qū)域；工況③流動(dòng)平穩(wěn)；工況④尾水管出口下方區(qū)域出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，這是由于尾水管出現(xiàn)回流所致。
圖 7 渦帶隨時(shí)間的變化，考慮流體的粘度
圖 8 渦帶隨時(shí)間的變化，不考慮流體的粘度
04 結(jié)論與展望
本案例模擬了Francis-99水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管部分，希望能夠捕捉到在非設(shè)計(jì)工況下尾水管內(nèi)的渦帶
；工況②尾水管水流在出口產(chǎn)生流動(dòng)分離，分離處恰為速度云圖中顯示的三角形低速區(qū)域；工況③流動(dòng)平穩(wěn)；工況④尾水管出口下方區(qū)域出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，這是由于尾水管出現(xiàn)回流所致。
尾水管：尾水管是將轉(zhuǎn)輪出口連接到尾座圈的導(dǎo)管，尾水從渦輪排出。其主要功能是降低排出水的速度，以最大程度減少出口處動(dòng)能損失。
前處理
TCFD目前支持stl格式模型的導(dǎo)入，我們需要對(duì)水輪機(jī)模型進(jìn)行處理。
2、水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)
尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉
非設(shè)計(jì)工況的壓力脈動(dòng)
過渡過程的壓力脈動(dòng)
ANSYS軟件可以分析水輪機(jī)運(yùn)行中的非定常水力激勵(lì)力。
水從下方垂直離開轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)入尾水管，剩余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為額外的壓力水頭。
使用結(jié)構(gòu)仿真，Voith 的工程團(tuán)隊(duì)排除導(dǎo)流葉片的自激勵(lì)和諧振是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，他們判斷出轉(zhuǎn)輪葉片（而不是導(dǎo)流葉片）上存在渦旋脫落，其是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。這部機(jī)器由24 個(gè)導(dǎo)流葉片和13 個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片組成。其工作速度為75rpm。
使用 Omnis Auto Grid 的轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)流葉片和固定葉片的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（左側(cè)）和使用 Omnis Hexpress 的尾水管的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（右側(cè)）。
在處理不穩(wěn)定或偏離設(shè)計(jì)的模擬時(shí)，需要設(shè)置每次旋轉(zhuǎn)的時(shí)間步長(zhǎng)。為了加速模擬，可以使用 Omnis OpenLabs 更改整個(gè)模擬的時(shí)間步長(zhǎng)。
圖 7 渦帶隨時(shí)間的變化，考慮流體的粘度
圖 8 渦帶隨時(shí)間的變化，不考慮流體的粘度
04 結(jié)論與展望
本案例模擬了Francis-99水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管部分，希望能夠捕捉到在非設(shè)計(jì)工況下尾水管內(nèi)的渦帶。
使用穩(wěn)態(tài)冷凍轉(zhuǎn)子模型的模擬結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)工況下，測(cè)線1和測(cè)線2的速度剖面與實(shí)驗(yàn)值非常吻合。對(duì)于部分載荷工況，軸向速度偏低，但速度分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。
3．排查水輪發(fā)電機(jī)組（抽水蓄能機(jī)組）進(jìn)水閥、機(jī)組軸系、頂蓋與座環(huán)、頂蓋分瓣面、蝸殼進(jìn)人門、尾水管進(jìn)人門等；貫流式機(jī)組流道蓋板、導(dǎo)水環(huán)、轉(zhuǎn)輪室及轉(zhuǎn)輪室進(jìn)人門等；沖擊式機(jī)組配水環(huán)管、噴管、噴嘴等部位的連接、固定螺栓使用周期、無損檢測(cè)結(jié)果和更換記錄。檢查預(yù)應(yīng)力螺栓緊固狀態(tài)和完好性。
4．檢查機(jī)組內(nèi)部管路伸縮節(jié)、焊接接頭完好性。
5．檢查頂蓋排水設(shè)施和排水通道的排水能力和運(yùn)行狀態(tài)。
